Hydraulisch-sedimentologische Fragestellungen an der Leine im Bereich der Wehranlage Döhren/Hannover
Erste Auswertungen der Messkampagnen von Bundes- und Landesbehörden bestätigen bisherige Modellrechnungen und verbessern das Verständnis von Hochwasserabläufen. Im Mai und Juni des Jahres 2013 traten in den deutschen Flussgebieten außerordentliche Hochwasser auf. Die Elbe wies in einigen Abschnitten neue Höchstwasserstände auf. Insbesondere aus der Saale strömten große Wassermassen in den Fluss ein, sodass das Hochwasser unterhalb der Saalemündung deutlich höher auflief als beim Sommerhochwasser 2002; bei Magdeburg-Buckau lag der Scheitel 75 cm über dem bisherigen Höchststand. Um die Elbe zu entlasten, aktivierte man den Elbe-Umflutkanal bei Magdeburg, sperrte Nebenflüsse ab und setzte die Havelniederung kontrolliert unter Wasser. Auch durch einige Deichbrüche wurden teilweise erhebliche Volumina aus der Elbe abgeführt. Das führte zu einem Absunk der Wasserspiegel im Bereich mehrerer Dezimeter. Trotzdem wurde in Magdeburg nach Angaben der Bundesanstalt für Gewässerkunde mit ca. 5.100 m3?s ein Hochwasser mit einem Wiederkehrintervall von 200 bis 500 Jahren erreicht. Mehrere Institutionen der Elbe-Anrainerländer und des Bundes führten Messungen während des Hochwassers durch. Die BAW benötigt insbesondere Messwerte von Oberflächen- und Grundwasser, um mit ihnen Modelle zu überprüfen. Hauptziel einer Messkampagne vom 7. bis 13. Juni 2013 war deshalb, zwischen Riesa bei Elbe (El)-km 106 und dem Wehr Geesthacht (El-km 586 ) nah am Hochwasserscheitel den Wasserspiegel etwa in der Flussachse zu messen. Begleitend wurden Durchflussmessungen durchgeführt, die dazu dienten, sowohl den Abfluss als auch Durchflussanteile und Fließgeschwindigkeiten zu ermitteln. Am 14. Juni 2013 wurden im Bereich der Deichrückverlegung Lenzen (bei El-km 480) zusätzlich Fließgeschwindigkeiten in den Deichschlitzen gemessen. Diese wurden durch punktuelle Grund- und Oberflächenwasser-Messungen ergänzt. Die Auswertung der Messungen wird noch geraume Zeit in Anspruch nehmen. Schon jetzt ist aber klar, dass die Ergebnisse von großem Nutzen sein werden, um die Prozesse in der Natur besser verstehen und beschreiben zu können. Auch tragen sie dazu bei, die Strömungsmodelle der (acronym = 'Bundesanstalt für Wasserbau') BAW zu validieren. Zwei erste Auswertungen machen dies deutlich.
Der größte Teil unserer Landschaften entwässert direkt in Gewässer erster und zweiter Ordnung. Im Mittelpunkt des Projekts stehen Untersuchungen zum Stoffrückhalt und zu Transformationsprozessen in der Übergangszone zwischen Grundwasser und den Gewässern niederer Ordnung. Dazu wird ein räumlich und zeitlich hoch auflösendes Monitoring von Wasser- und Stoffflüssen mit innovativer online-Sondentechnik, komponenten- und enantiomerspezifischer Isotopenanalytik und molekularbiologischen Werkzeugen kombiniert. Ergänzt werden die Felduntersuchungen durch prozessbasierte reaktive Transportmodelle. Durch diese Kombination modernster Methoden soll ein umfassendes Verständnis der räumlich-zeitlichen Muster von Reaktivität und Umsätzen in Abhängigkeit von Landnutzung und hydraulischen Randbedingungen erreicht werden.
Seit Jahrhunderten werden Stauanlagen zur Energieerzeugung, zur Schiffbarmachung von Flüssen, zur Verbesserung des Schutzes vor Hochwasser und zum Zweck der Speicherung von Trink- und Betriebswasser errichtet. Dies führte im Zusammenspiel mit der Zerstörung von Laichgewässern sowie Überfischung und Wasserverschmutzung zu einem dramatischen Rückgang der Fischbestände. Bei der Errichtung der meisten Stauanlagen an den Bundeswasserstraßen Main, Neckar und Mosel wurden Fischtreppen angelegt, um eine Wanderung flussaufwärts zu ermöglichen. Diese waren jedoch oftmals zu steil, zu klein oder zu weit von natürlichen Wanderrouten entfernt und wurden zudem nicht ausreichend gewartet, um einen bestandserhaltenden Fischaufstieg zu gewährleisten. Die Entwicklungen des internationalen und nationalen Umweltrechts, die einem breiten gesellschaftlichen Bewusstseinswandel Rechnung trugen, führten ab den 1970er-Jahren sukzessive zu einer Verbesserung der Wasserqualität. Ein umweltpolitischer Meilenstein war die Verabschiedung der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) durch das Europäische Parlament im Jahr 2000. Diese fordert die EU-Mitgliedstaaten auf, Maßnahmen zur Verbesserung der ökologischen Bedingungen in heimischen Fließgewässern zu ergreifen. Ziel ist es, einen 'guten ökologischen Zustand' oder bei erheblich veränderten Gewässern ein sogenanntes 'gutes ökologisches Potenzial' zu erreichen. Um die Ziele der WRRL in Bezug auf die ökologische Durchgängigkeit zu erfüllen, muss die Durchgängigkeit an den Bundeswasserstraßen an ca. 250 Stauanlagen sichergestellt werden. Dies erfordert in den meisten Fällen den Bau einer neuen Fischaufstiegsanlage. Deren Funktionsfähigkeit und Effizienz soll für mehr als 60 heimische Fischarten gewährleistet werden, obwohl sich Eigenschaften wie Leistungsfähigkeit, Migrationsverhalten und Schwarmverhalten von Art zu Art stark unterscheiden können. Feldstudien zur Gewinnung der notwendigen Daten werden durch die natürliche Variabilität der Fischbestände und weiterer variabler Einflussgrößen erschwert. Laboruntersuchungen sind in ihren Dimensionen begrenzt und werden durch die künstliche Umgebung beeinflusst. Eine alternative Möglichkeit für die Bewertung der Effizienz von Fischtreppen sind numerische Simulationsmethoden für die Hydraulik und das Verhalten von Fischen. Sie zielen auf eine quantitative Bewertung von baulichen Alternativen ab, wie sie in der Planungspraxis häufig benötigt wird. 2015 wurde in der BAW in enger Kooperation mit der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) ein Forschungsprojekt begonnen, um einen neuen Ansatz auf der Basis individuenbasierter Modellierung zu entwickeln.
Raugerinne mit Beckenstruktur stellen für die WSV eine Regelbauweise für die Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit dar. Derzeit ist unklar, welche Auswirkung Raugerinne auf die Stauhaltung im Oberwasser haben. Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen Methoden für die Vorhersage der Stauwirkung von Raugerinnen mit Beckenstruktur entwickelt werden. 1 Aufgabenstellung und Ziel Gewässerbreite Raugerinne mit Beckenstruktur (Titelbild) gehören bei der Herstellung der ökologischen Durchgängigkeit an Bundeswasserstraßen zu den Regelbauweisen der WSV. Für die Genehmigung dieser Bauwerke ist der Nachweis der Auswirkungen auf die Wasserspiegellagen im Oberwasser zu erbringen. Die Hydraulik von Raugerinnen mit Beckenstruktur ist komplex, da in Abhängigkeit der Parameter Abfluss, Gefälle und Geometrie verschiedene charakteristische Fließzustände auftreten, die sich auf die Oberwasserspiegel auswirken. Bei geringen Abflüssen wird das Bauwerk im Wesentlichen durch die Durchgangsöffnungen der Riegel durchströmt, die aus Gründen der ökologischen Durchgängigkeit angeordnet werden. Bei steigendem Abfluss findet ein Übergang in ein gewelltes Abflussregime mit stehenden Wellen an den Riegeln und Froude-Zahlen um 1 statt. Bei großen Abflussereignissen wird das Bauwerk komplett überströmt und die Riegel wirken als Sohlrauheit. In der Praxis werden für die Berechnung der Wasserspiegellagen häufig 1D- oder 2D-Modelle verwendet, welche die vorherrschenden hydraulischen Verhältnisse nur vereinfacht wiedergeben. Hingegen werden von der Genehmigungsseite hohe Genauigkeiten erwartet. Die BAW sieht sich dabei häufig in der Rolle, die Güte der Modelle Dritter beurteilen zu müssen. Aus diesem Grund ist es das Ziel des Forschungsprojektes, geeignete Berechnungsmethoden für die Vorhersage des Oberwasserstandes zu entwickeln. 2 Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Der Nutzen für die WSV liegt in einer verbesserten Aussagequalität für einen wichtigen genehmigungsrelevanten Teilaspekt bei der Planung von Fischaufstiegsanlagen. Mithilfe einer prognosefähigen Berechnungsmethode werden Planungsprozesse vereinfacht und Risiken hinsichtlich einer Oberwasserspiegellagenveränderung verringert. Zudem können aufwendige Vergaben von Modellrechnungen unterbleiben oder diese anhand der Projektergebnisse für eine belastbare Anwendung kalibriert werden. Untersuchungsmethoden Die Entwicklung der Berechnungsmethoden wird in drei Phasen durchgeführt. In der ersten Phase wurden grundsätzliche hydraulische Zusammenhänge zwischen der Strömung im Oberwasser und der Strömung auf einem Raugerinne mit Beckenstruktur analysiert. Hierfür wurden zunächst vereinfachte Raugerinnegeometrien (ohne Böschung, Durchgangsöffnungen etc.) betrachtet. Um in der Literatur beschriebene Ansätze (z. B. Dust und Wohl 2012, Baki et al. 2017) zu testen und weiterzuentwickeln, wurden an der BAW verfügbare Messdaten und Daten aus einer Kooperation mit dem Bundesamt für Wasserwirtschaft in Wien (Österreich, Hengl 2023) ausgewertet. In der zweiten Projektphase werden vorhandene Berechnungsansätze um weitere Parameter (Böschung und Durchgangsöffnungen etc.) ergänzt, um naturgetreue Raugerinnegeometrien abzubilden. Die Untersuchungen in dieser Projektphase werden mit 3D-HN-Modellen durchgeführt, die mit den Datensätzen aus der ersten Projektphase kalibriert werden. In der dritten Projektphase werden die gewonnenen Erkenntnisse für Raugerinne unter realen Bedingungen getestet. Hierfür werden Messungen an bestehenden Raugerinnen durchgeführt (Bild 1) und deren Ergebnisse mit denen der neu entwickelten Berechnungsmethoden verglichen. Begleitend wird mittels der HN-Modelle eine Empfehlung zum methodischen Vorgehen bei Modellierungen entwickelt werden. Diese soll bei Standorten mit Sonderanordnungen, wie z. B. teilbreite Raugerinne, oder im Falle von gekrümmten Raugerinnen als Modellierungsgrundlage dienen.
Das Forschungsprojekt hat das Ziel, das Schwimmverhalten von kleineren Fischarten in Fischaufstiegsanlagen besser zur verstehen. In ethohydraulischen Versuchen wird die Bewegung von Fischen in unterschiedlich turbulenten Strömungen in einer Fischaufstiegsanlage untersucht. Aufgabenstellung und Ziel Fischaufstiegsanlagen (FAA) in Schlitzpassbauweise sind so bemessen, dass im Einstieg und in den Schlitzen hohe Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Diese dienen der schnellen Wanderung leistungsstarker Fischarten, können aber die bisher angenommene, experimentell ermittelte Leistungsfähigkeit kleiner und schwimmschwacher Arten überschreiten (z. B. Katopodis und Gervais 2016). Zudem treten in den Schlitzen Strömungsschwankungen verschiedener Größenordnungen auf, die in Versuchen zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit nicht vorhanden waren. Beobachtungen kleiner Fische in solchen FAA legen nahe, dass diese leistungsfähiger sind als erwartet. Eine weitere Erklärung dafür kann sein, dass Fische die auftretenden Strömungsschwankungen für die Passage nutzen. Da nach der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie auch kleine Arten durchgängigkeitsrelevant sind und Schlitzpässe zu den bevorzugten Bauweisen gehören, ist es wichtig zu verstehen, wie solche Fische die Passage bewältigen. Im ersten Teil des vorliegenden FuE-Vorhabens wurde in ethohydraulischen Versuchen die Bewegung von Fischen unter unterschiedlich turbulenten Strömungsbedingungen in einem Schlitz beobachtet und die Passageraten der Fische ermittelt. Während der Versuche wurden Videos der Fischbewegung aufgezeichnet. Im zweiten Projektteil werden diese Daten hinsichtlich auftretender Bewegungsmuster als Reaktionen der Fische auf die unterschiedlich turbulenten Strömungen analysiert. Durch eine geeignete Parametrisierung der turbulenten Strömung kann die Passierbarkeit unterschiedlicher hydraulischer Szenarien bewertet werden. Mithilfe der Ergebnisse sollen hydraulische Parameter aus numerischen Strömungssimulationen oder Messdaten fischökologisch bewertet werden. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) FAA müssen für alle Fischarten geeignet sein. FAA in Schlitzpassbauweise sind ein häufig verwendeter Bautyp, der vorrangig für stärkere Fischarten entwickelt wurde. Der Nachweis, dass dieser Bautyp für schwächere Arten geeignet ist, ermöglicht es der WSV, ökonomische und effiziente Anlagen zu bauen. Das Verständnis, wie Fische die Hydraulik der FAA beim Aufstieg nutzen, wird zudem eingesetzt, um die Ergebnisse hydraulischer Modelle nicht standardisierter Bauteile aus fischökologischer Sicht zu bewerten. In vorherigen Forschungsvorhaben wurde bereits der Einfluss von Fließgeschwindigkeiten (Schütz et al. 2024) und einer rauen Sohle (Wiering et al. 2024) auf die Fischpassage in Engstellen untersucht. Untersuchungsmethoden Der Untersuchungsbereich befindet sich in einer 2,5 m breiten und 50 m langen Rinne in der Versuchshalle der BAW in Karlsruhe. Die Strömungsverhältnisse im Schlitz und im Unterwasser wurden mit einem Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) an über 300 Punkten in zwei horizontalen Ebenen (bodennah und in der Mitte der Wassersäule) vermessen. Aus den Zeitreihen der Strömungsgeschwindigkeiten wurden die mittleren und turbulenten Kenngrößen bestimmt. Die im Jahr 2022 und 2023 durchgeführten Versuche wurden mit ca. 350 aus umliegenden Fließgewässern entnommenen Fischen der Arten Gründling (Gobio gobio) und Rotauge (Rutilus rutilus)für einen turbulenten und wenig turbulenten Strömungszustand durchgeführt. Während der Versuche wurden die Fischbewegungen mit Videokameras aus verschiedenen Blickwinkeln mit einer Frequenz von 19 Bildern pro Sekunde aufgezeichnet. Aus den Videos wurden in mehreren Schritten dreidimensionale Pfade der Fischbewegungen ermittelt. Dazu wurden für insgesamt 30 Versuche Videosequenzen identifiziert, in denen Fische sich in einem definierten Bereich unterhalb des Schlitzes aufhalten. (Text gekürzt)
Im Rahmen einer Erschließungsmaßnahme der Stadt Jülich wurden die Entwässerungsgräben 'Mühlenteich' und 'Iktebach' im Bereich der Kreuzungen mit der geplanten Erschließungsstraße hydraulisch nachgewiesen. Hierzu wurden mit dem Programmsystem HEC-Ras eindimensionale numerische Modelle erstellt.
Im Rahmen des Projekts soll ein neues Verfahren entwickelt werden, welches als Grundlage für die Klassifizierung von Wanderwegen für den Fischabstieg dient. Basis des Verfahrens ist zunächst die Annahme, dass einzelne Stauanlagenkomponenten wie Kraftwerk, Wehr, Schleuse, Fischauf- oder -abstiegsanlage potenzielle Wanderkorridore darstellen können. Das Verfahren soll die Möglichkeit bieten, hydrologische und hydraulische Aspekte der Stauanlage mit dem Fischverhalten beim Abstieg zu koppeln.
Veranlassung Die Schlitzpassbauweise ist potenziell an vielen der über 200 geplanten FAA an den Bundeswasserstraßen einsetzbar. Allerdings braucht es klare Bemessungsvorgaben, um die ökologische Funktionalität zu gewährleisten. Doch es gibt Unsicherheiten zur Passierbarkeit bei unterschiedlichen hydraulischen und geometrischen Bedingungen. Wie wirken sich unterschiedliche Strömungsmuster auf die Passierbarkeit aus? Wie beeinflussen Wendebecken den Fischaufstieg? Wie werden Strömungsschwankungen verursacht und beeinflussen sie die Fische? Diese Fragen werden von der BfG anhand markierter Fische (HDX-Telemetrie) und Beobachtungen (Imaging-Sonar) an Pilotanlagen sowie an der ethohydraulischen Rinne untersucht. Die BAW nutzt gegenständliche und numerische Modelle, um die Schlitzpass-Hydraulik besser zu verstehen und liefert damit zentrale Grundlagen für die Bemessung und fischökologische Bewertung. An der Pilotanlage Eddersheim wird eine ‘Doppelstranganlage’ geplant, in der mit Fischversuchen parallel verschiedene Schlitzpass-Varianten gegeneinander getestet werden (siehe ‘FuE-Rahmenkonzept: Ökologische Durchgängigkeit’, Kapitel 4.1.2). Ziele - Hydraulik verschiedener Schlitzpass-Ausprägungen analysieren (BAW) - Fischpassierbarkeit verschiedener Schlitzpass-Geometrien ermitteln - Passierbarkeit von Wendebecken analysieren - Auswirkung der FAA-Länge und wechselnder Unterwasserstände untersuchen Die Ergebnisse gehen als BfG/BAW-Fachempfehlung des WSV-Handbuchs ‘Ökologische Durchgängigkeit’ direkt in die konkrete WSV-Planung ein. Fischaufstiegsanlagen in Schlitzpass-Bauweise lassen sich planerisch gut bemessen und platzsparend bauen. Sie werden aus diesem Grund häufig errichtet, und es liegen viele wissenschaftliche Erkenntnisse zu diesem Bautyp vor. Trotzdem gibt es komplexe hydraulische Phänomene, deren Ursache und Auswirkung auf die Passierbarkeit unbekannt sind. Wie effizient passieren Fische unterschiedlicher Arten und Größen diese unterschiedlichen hydraulische Bedingungen? Welche fischökologischen Anforderungen müssen an die hydraulische Bemessung gestellt werden, um ökologisch ausreichend funktional zu sein? Schlitzpässe sind die am häufigsten gebauten Fischaufstiegsanlagen (FAA). Trotz Planungsvorgaben gibt es aber noch Fragen zur Passierbarkeit unter verschiedenen hydraulischen und geometrischen Bedingungen.
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